Effects of Atom-Laser Interaction on Ultra-Cold Atoms
Effekte der Atom-Laser Wechselwirkung auf ultrakalte Atome
Volker Martin Hannstein
Doctoral thesis
Date of Examination:
2006-04-03
Date of issue:
2006-05-30
Advisor:
Hegerfeldt, Gerhard C. Prof. Dr.
Referee:
Hegerfeldt, Gerhard C. Prof. Dr.
Referee:
Schönhammer, Kurt Prof. Dr.
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B590-7
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Name:
hannstein_vm.pdf
Size:
1,5 MB
Format:
PDF
Description:
Dissertation
Abstract
English
The control and manipulation of the atomic translational and internal degrees of freedom via atom-laser interaction is an essential tool in modern quantum optical experiments which allows for a large variety of applications. The present work is concerned with theoretical investigations which may shed some light on certain experiments in this field.In the first part of this work, cooperative effects in the fluorescence of dipole-dipole interacting atoms in a trap are studied. The famous macroscopic quantum jumps can occur for a single atom with a metastable state when illuminated by light. Then periods of fluorescence of fixed intensity alternate stochastically with dark periods. If one has two or three such atoms in a trap, there are dark periods and periods of single and multiple intensity, from overlap. The statistics of these periods is influenced by the dipole-dipole interaction between the atoms in a sensitive manner. This work is concerned with a theoretical description of these effects, including a discussion of the seemingly contradictory experimental results which have been obtained in this context. The main result indicates that the huge rate of double and triple jumps reported for three trapped Ba+ ions can in fact not be attributed to the dipole-dipole interaction.In the second part, the possible use of an evanescent wave atomic mirror as a measuring device for the properties of an atomic wave packet is investigated. The idea is taken from an experiment, in which such a mirror was used for the temporal diffraction of a cloud of laser cooled atoms dropping out of a magneto-optical trap. A model for the investigation of the atomic wave function with such a mirror is given, and the outcomes of different set-ups are investigated. The main result shows that with such a mirror one can sample the mod-squared of a spread-out wave function, and this opens the way for a realistic possibility for measuring this otherwise not easily accessible quantity.
Keywords: cooperative effects; dipole-dipole interaction; quantum state reconstruction; atomic mirror; ion traps; quantum optics
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Die Kontrolle und Beeinflussung von internen und translationalen atomaren Freiheitsgraden mit Hilfe der Atom-Laser Wechselwirkung ist ein entscheidendes experimentelles Werkzeug in modernen quantenoptischen Experimenten, das viele wichtige Anwendungen ermöglicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit theoretischen Untersuchungen, die neue Einsichten in einige Experimente auf diesem Gebiet geben.Im ersten Teil der Arbeit werden kooperative Effekte in der Fluoreszenz dipol-dipol-wechselwirkender Atome in einer Falle untersucht. Die berühmten makroskopischen Quantensprünge können bei einem einzelnen Atom mit einem metastabilen Niveau auftreten, wenn dieses mit Licht bestrahlt wird: Phasen mit konstanter Intensität und Phasen ohne spontane Emission wechseln einander in zufälliger Weise ab. Wenn zwei oder mehr Atome in der Falle gespeichert sind, treten Dunkelphasen und Phasen einfacher und mehrfacher Intensität auf, entprechend der Überlagerung der Fluoreszenz der Einzelatome. Die Statistik dieser Leuchtphasen kann durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung in empfindlicher Weise beeinflusst werden. Die Arbeit befasst sich mit der theoretischen Beschreibung dieser Effekte, insbesondere in Bezug auf scheinbar widersprüchliche experimentelle Ergebnisse in diesem Zusammenhang. Als ein wesentliches Resultat wird gezeigt, dass die hohe Rate von Doppel- und Dreifachsprüngen, die bei drei gespeicherten Ba+-Ionen beobachtet wurde, nicht der Dipol-Dipol-Wechselwirkung zugeschrieben werden kann.Im zweiten Teil der Arbeit wird die mögliche Verwendung eines auf evaneszenten Wellen beruhenden Atomspiegels als Apparatur zur Messung von Eigenschaften atomarer Wellenpakete untersucht. Die zugrundeliegende Idee entstammt einem Experiment, in dem ein solcher Spiegel für die zeitliche Interferenz einer Wolke von lasergekühlten Atomen benutzt wurde, die aus einer magneto-optischen Falle fallen gelassen wurden. Es wird ein Modell zur Untersuchung der atomaren Wellenfunktion mit Hilfe eines solchen Spiegels angegeben, und die Ergebnisse verschiedener Messanordnungen werden untersucht. Als Hauptresultat wird gezeigt, dass mit einem solchen Spiegel das Betragsquadrat einer ausgedehnten Wellenfunktion abgetastet werden kann. Dies eröffnet eine realistische Mglichkeit diese sonst experimentell nur schwer zugängliche Größe zu messen.
Schlagwörter: kooperative Effekte; Dipol-Dipol-Wechselwirkung; Quantenzustandsrekonstruktion; Atomspiegel; Ionenfallen; Quantenoptik
